반도체는 컴퓨터, 스마트폰, 자동차, 가전제품 등 다양한 전자 기기의 핵심 구성 요소입니다. 이런 반도체를 만드는 과정은 매우 복잡하고, 미세한 공정 하나하나가 반도체의 성능을 좌우합니다. 이 중에서도 가장 중요한 단계로 알려진 8대 공정은 각 공정마다 다양한 기술과 방법을 필요로 하며, 각각의 공정이 반도체의 미세한 특성에 직접적인 영향을 미칩니다. 이번 글에서는 반도체 8대 공정을 좀 더 깊이 있게 살펴보겠습니다.
반도체는 우리가 사용하는 모든 전자 기기의 핵심 부품입니다. 컴퓨터, 스마트폰, 자동차 등 다양한 분야에서 사용되는 반도체는 아주 복잡한 공정을 통해 제조됩니다. 반도체는 매우 작은 나노미터 단위의 소자들이 수천에서 수십억 개까지 모여서 하나의 칩을 이루는 만큼, 그 제조 과정은 매우 정밀하고 까다롭습니다.
※1. 웨이퍼(Wafer) 제조
웨이퍼는 반도체 칩을 제작하는 데 사용하는 얇은 원판입니다. 웨이퍼는 주로 실리콘으로 만들어지며, 실리콘 덩어리를 잘라내고 표면을 매끄럽게 연마하여 완성됩니다. 웨이퍼의 두께와 크기는 반도체 공정의 종류에 따라 달라질 수 있습니다.
실리콘 잉곳(Ingot): 실리콘 원소를 고순도로 정제하여 대형 실리콘 기둥(잉곳)을 만들고, 이를 얇게 잘라 웨이퍼로 만듭니다.
평탄화 공정: 웨이퍼 표면의 불균일성을 제거하여 완벽하게 평평하게 만듭니다. 이렇게 만들어진 웨이퍼는 이후의 모든 공정에서 반도체 소자를 형성하는 기본 판이 됩니다.
▶ 웨이퍼 제조 과정
1. 실리콘 정제: 실리콘을 고순도로 정제하여 불순물을 거의 제거한 후 실리콘 잉곳(Ingot)을 형성합니다. 이 과정에서는 ‘초순도 실리콘’이라고도 불리는 99.9999% 이상의 순도를 요구합니다.
2. 잉곳 성장: 초순도 실리콘을 원료로 약 100~300kg 정도의 대형 실리콘 기둥(잉곳)을 성장시킵니다. 대표적인 방법으로는 초크랄스키(Czochralski, CZ) 공정이 있으며, 이 과정에서 단결정 실리콘 기둥이 형성됩니다.
Czochralski, CZ Method
3. 잉곳 절단: 단결정 잉곳을 얇게 절단하여 웨이퍼를 만듭니다. 웨이퍼의 두께는 약 725마이크로미터(µm) 정도로 매우 얇습니다.
4. 웨이퍼 연마 및 세정: 절단된 웨이퍼는 표면이 고르지 않기 때문에, 정밀 연마 과정을 통해 표면을 매우 평평하게 만듭니다. 이 과정은 후속 공정에서 회로 패턴을 정밀하게 전사하기 위해 매우 중요합니다. 마지막으로 화학적 세정을 통해 미세 먼지와 불순물을 제거합니다.
웨이퍼 표면에 실리콘 산화막을 형성하는 공정입니다. 실리콘 산화막은 반도체 소자를 보호하고 절연층으로 사용됩니다. 이 공정에서는 웨이퍼를 고온의 산소 환경에 노출시켜 산화막을 형성합니다.
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열산화법: 고온(900~1200℃)에서 실리콘 웨이퍼와 산소 또는 수증기가 반응하여 산화막이 형성됩니다.
주요 역할: 산화막은 반도체 소자의 절연 역할을 하며, 이후 공정에서 발생하는 물리적 손상을 막아줍니다.
▶ 산화 방법
1. 열 산화(Thermal Oxidation): 웨이퍼를 고온(900℃~1200℃)의 산소 또는 수증기 환경에 노출시켜 산화막을 형성합니다. 고온에서 산소 분자가 실리콘과 반응하여 산화막이 만들어집니다. 산화막의 두께는 온도와 시간을 조절하여 결정되며, 매우 얇은 수 나노미터(nm) 단위의 산화막도 가능합니다.
2. 습식 산화(Wet Oxidation): 수증기를 이용하여 산화막을 형성하는 방식으로, 주로 두꺼운 산화막을 형성하는 데 사용됩니다.
3. 건식 산화(Dry Oxidation): 순수한 산소를 사용하여 산화막을 형성하는 방식으로, 얇고 고품질의 산화막을 만들 수 있습니다. 주로 게이트 산화막처럼 정밀한 공정에 사용됩니다.
인하공업전문대학
▶ 습식 산화 VS 건식 산화 (Wet Oxidation VS Dry Oxidation)
※3. 포토리소그래피(Photolithography) - 노광 공정
포토리소그래피는 반도체 회로를 웨이퍼에 전사하는 공정입니다. 이 공정에서는 빛을 사용하여 매우 정밀한 패턴을 웨이퍼에 형성합니다.
포토레지스트(Photoresist): 빛에 반응하는 감광제를 웨이퍼에 바르고, 빛을 쏘여 원하는 패턴을 만듭니다.
노광(Exposure): 마스크를 통해 패턴을 만들고, 이후 현상 과정에서 노광된 부분이 제거되어 실제 회로 패턴이 웨이퍼에 전사됩니다.
▶ 공정 과정
1. 포토레지스트 도포: 웨이퍼 표면에 감광성 물질인 포토레지스트를 균일하게 도포합니다. 포토레지스트는 빛에 민감하게 반응하는 화합물로, 빛이 조사된 부분과 그렇지 않은 부분의 화학적 성질이 달라집니다.
2. 노광(Exposure): 미세한 회로 패턴이 새겨진 마스크를 이용하여 빛을 쏘아 포토레지스트를 부분적으로 노출시킵니다. 빛의 파장은 주로 **자외선(Deep UV)**을 사용하며, 최근에는 더욱 짧은 파장의 **극자외선(EUV)**도 사용되고 있습니다.
3. 현상(Development): 노출된 포토레지스트를 화학 용액으로 현상시켜 불필요한 부분을 제거합니다. 현상 후 남은 포토레지스트는 다음 공정에서 식각이나 증착을 위한 패턴으로 작용합니다.
4. 식각 및 제거: 현상 후 남은 포토레지스트를 가이드로 삼아 웨이퍼 표면을 식각한 후, 포토레지스트를 제거합니다.
▶ Positive Photolithography (PP) vs Negative Photolithography (NP)
Positive Photolithography는 빛에 노출된 부분이 제거되는 방식으로, 고해상도 및 정밀한 패턴을 필요로 하는 반도체 제조에 많이 사용됩니다. 주로 미세한 트랜지스터나 복잡한 회로 패턴을 제작할 때 적합합니다.
Negative Photolithography는 빛에 노출된 부분이 경화되어 남는 방식으로, 상대적으로 단순한 패턴 제작과 대량 생산에 유리합니다. 하지만 해상도나 정밀도가 낮기 때문에 대형 패턴이 필요한 공정에서 주로 사용됩니다.
포토리소그래피로 형성된 패턴을 기반으로 웨이퍼에서 불필요한 부분을 제거하는 공정입니다. 식각 공정은 크게 **습식(Wet Etching)**과 **건식(Dry Etching)**으로 나뉩니다.
Samsung DIsplay
습식 식각: 화학 용액을 사용하여 특정 부분을 녹여내는 방법입니다. 주로 부드럽고 얕은 식각에 사용됩니다.
건식 식각: 플라즈마를 이용해 정밀하게 물질을 제거하는 방식으로, 깊고 복잡한 패턴을 형성하는 데 적합합니다.
▶ 식각 방법
습식 식각(Wet Etching): 화학 용액을 사용하여 물질을 녹이는 방식입니다. 특정 화학 물질이 특정 물질과 반응하여 이를 용해시키는 원리를 이용하며, 주로 비교적 얕은 식각에 사용됩니다.
건식 식각(Dry Etching): 플라즈마 상태의 이온을 이용하여 물질을 제거하는 방식입니다. 플라즈마에서 생성된 이온이 고속으로 웨이퍼 표면에 충돌하면서 물질을 물리적으로 깎아내는 방식으로, 깊은 식각이나 미세한 패턴에 적합합니다. 특히, **반응성 이온 식각(RIE)**은 정밀하고 세밀한 공정에 주로 사용됩니다.
금속화 공정은 웨이퍼 표면에 전류가 흐를 수 있도록 금속 배선을 형성하는 과정입니다. 보통 알루미늄, 구리 등이 사용되며, 회로와 회로 사이를 연결하여 전류가 흐르도록 설계됩니다.
배선 형성: 반도체 소자들이 전기적으로 연결되도록 금속 배선을 형성합니다.
전기 전도성: 금속이 배선 역할을 하여 반도체가 전기 신호를 효율적으로 전달하도록 돕습니다.
▶ 금속화 공정의 과정
1. 금속 증착: 금속화 과정에서 웨이퍼 표면에 금속을 증착합니다. 금속 증착 방법으로는 물리적 기상 증착(PVD) 또는 **화학 기상 증착(CVD)**이 사용됩니다. PVD는 증발 또는 스퍼터링을 통해 금속을 기화하여 증착하는 방식이고, CVD는 금속 가스를 사용하여 화학 반응을 통해 금속 박막을 형성하는 방식입니다.
2. 패터닝 및 식각: 증착된 금속은 웨이퍼 전체에 얇게 퍼져 있기 때문에, 이를 원하는 모양으로 형성하기 위해 포토리소그래피 공정을 통해 배선 패턴을 형성한 후, 불필요한 부분을 **식각(Etching)**으로 제거합니다. 이때 사용되는 식각 방식은 주로 건식 식각을 이용하여 미세한 배선 패턴을 정확하게 만들 수 있습니다.
3. 플러그 형성: 반도체 소자의 층간을 연결하는 수직 배선도 필요합니다. 이러한 배선은 비아(Via) 또는 플러그라고 불리며, 두 층 사이의 전기적 연결을 가능하게 합니다. 주로 텅스텐(W) 같은 금속을 사용하여 형성됩니다.
4. 금속 배선 정렬: 배선이 완성되면, 상위 공정과 하위 공정 간의 배선 정렬이 필요합니다. 이를 통해 반도체 칩 내부의 모든 회로가 전기적으로 연결되고 신호를 전달할 수 있습니다.
5. 금속 증착: 금속화 과정에서 웨이퍼 표면에 금속을 증착합니다. 금속 증착 방법으로는 물리적 기상 증착(PVD) 또는 **화학 기상 증착(CVD)**이 사용됩니다. PVD는 증발 또는 스퍼터링을 통해 금속을 기화하여 증착하는 방식이고, CVD는 금속 가스를 사용하여 화학 반응을 통해 금속 박막을 형성하는 방식입니다.
6. 패터닝 및 식각: 증착된 금속은 웨이퍼 전체에 얇게 퍼져 있기 때문에, 이를 원하는 모양으로 형성하기 위해 포토리소그래피 공정을 통해 배선 패턴을 형성한 후, 불필요한 부분을 **식각(Etching)**으로 제거합니다. 이때 사용되는 식각 방식은 주로 건식 식각을 이용하여 미세한 배선 패턴을 정확하게 만들 수 있습니다.
7. 플러그 형성: 반도체 소자의 층간을 연결하는 수직 배선도 필요합니다. 이러한 배선은 비아(Via) 또는 플러그라고 불리며, 두 층 사이의 전기적 연결을 가능하게 합니다. 주로 텅스텐(W) 같은 금속을 사용하여 형성됩니다.
8. 금속 배선 정렬: 배선이 완성되면, 상위 공정과 하위 공정 간의 배선 정렬이 필요합니다. 이를 통해 반도체 칩 내부의 모든 회로가 전기적으로 연결되고 신호를 전달할 수 있습니다.
▶ 금속화의 발전
과거에는 알루미늄(Al)이 주로 사용되었으나, 구리(Cu)가 더 낮은 저항과 높은 전도성을 제공하므로 최근에는 구리 배선이 주류를 이루고 있습니다. 구리 배선을 사용할 경우, 구리의 확산을 막기 위해 절연체 사이에 확산 방지막을 추가로 형성하는 과정이 필요합니다.
※7. EDS ( Electrical Die Sorting )
Electrical Die Sorting(전기 다이 분류)은 반도체 제조 공정에서 칩 또는 다이를 전기적으로 테스트하고, 그 결과에 따라 양품과 불량품으로 분류하는 과정입니다. Electrical Die Sorting은 제조된 다이(Chip)의 전기적 특성을 검사하여 각 다이의 성능을 평가하는 과정입니다. 이 과정은 전자 회로가 정상적으로 작동하는지를 확인하기 위해 수행됩니다. 검사 후, 다이는 양품과 불량품으로 분류됩니다.
▶ EDS 공정 단계
다이 준비 - 다이 분리: 다이 본체에서 개별 다이를 분리합니다. 이는 일반적으로 와이어 본딩 또는 다이 본딩 작업을 통해 수행됩니다. - 다이 세척: 다이를 전기 테스트 전에 오염물질을 제거하기 위해 세척합니다.
전기 테스트 준비 - 테스트 장비 설정: 전기 테스트를 수행하기 위한 테스트 장비(예: 자동 테스트 장비, ATE)를 준비합니다. - 테스트 프로브 설치: 각 다이에 접촉할 수 있는 테스트 프로브를 장착합니다.
전기 테스트 수행 - 전기적 특성 측정: 각 다이에 전압 및 전류를 인가하여 전기적 특성을 측정합니다. 여기에는 신호의 전송 속도, 전압 강하, 전류 소비 등이 포함됩니다. - 결과 기록: 테스트 결과는 데이터베이스에 기록되어 각 다이에 대한 성능 데이터가 저장됩니다.
결과 분석 및 분류 - 데이터 분석: 테스트 결과를 분석하여 다이의 성능이 사양에 맞는지 확인합니다. - 분류: 양품과 불량품을 구분합니다. 양품은 다음 단계로 진행되고, 불량품은 리포지셔닝(재작업)되거나 폐기됩니다.
포장 및 출하 - 양품 포장: 검사에 통과한 양품 다이는 패키징을 통해 다음 제조 공정으로 이동합니다. - 불량품 처리: 불량으로 판별된 다이는 재작업 또는 폐기됩니다.
※8. 패키징(Packaging)
완성된 반도체 칩을 보호하고 외부와 연결하는 패키징 공정입니다. 패키징은 반도체 소자를 외부 환경으로부터 보호하며, 외부 전원 공급 및 신호 전달을 가능하게 합니다.
칩 보호: 반도체 소자를 외부의 충격과 습기로부터 보호합니다.
전기 연결: 패키징 과정에서 금속 배선이 외부와 연결되어 칩의 기능을 사용할 수 있도록 합니다.
▶ 패키징 공정의 단계
1. 다이 싱(Dicing): 웨이퍼에 여러 개의 반도체 칩이 동시에 형성되는데, 이들을 각각 개별 칩으로 분리하는 과정입니다. 웨이퍼를 일정한 크기로 자르는 것을 다이싱(Dicing)이라고 하며, 레이저나 기계적인 절단을 통해 이루어집니다.
2. 다이 본딩(Die Bonding): 개별로 분리된 반도체 칩(다이)을 **서브스트레이트(Substrate)**에 부착하는 과정입니다. 서브스트레이트는 반도체 칩을 물리적으로 지지하고, 외부 전원 공급 및 신호 연결을 위한 기판 역할을 합니다.
3. 와이어 본딩(Wire Bonding): 반도체 칩과 외부 패드(연결 핀) 사이를 연결하기 위한 금속 와이어를 연결하는 공정입니다. 일반적으로 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 와이어가 사용됩니다. 최근에는 와이어 본딩 대신 **플립칩 본딩(Flip-Chip Bonding)**이라는 새로운 방식도 많이 사용되는데, 이 방식은 칩 자체의 접점을 이용해 직접 연결하는 방법으로 고속 신호 처리에 유리합니다.
4. 몰딩(Molding): 반도체 칩을 외부 환경으로부터 보호하기 위해 **에폭시(Epoxy)**와 같은 재료로 칩을 덮는 과정입니다. 이를 통해 반도체 소자는 외부의 물리적 손상, 습기, 열 등으로부터 보호받을 수 있습니다.
5. 패키지 테스트: 완성된 반도체 패키지는 최종적으로 전기적 테스트를 거쳐 정상 작동 여부를 확인합니다. 이때 불량품은 걸러내고, 성능에 맞는 등급을 부여하여 출하합니다.
▶ 패키징의 종류
DIP(Dual In-line Package): 두 줄로 핀이 배열된 가장 기본적인 패키징 형태입니다.
BGA(Ball Grid Array): 칩 하단에 볼 형태의 접점을 배치한 패키지로, 많은 핀을 효율적으로 배치할 수 있어 고성능 칩에 적합합니다.
반도체 8대 공정은 각각의 단계가 매우 정밀하고 고도의 기술을 요구하는 작업입니다. 이 과정들을 통해 현대의 고성능 반도체가 탄생하며, 미세 공정 기술이 발전함에 따라 반도체의 성능도 비약적으로 향상되고 있습니다. 공정 하나하나가 반도체 칩의 특성과 성능을 결정짓기 때문에, 각 단계의 세밀한 제어와 높은 품질 관리가 매우 중요합니다.
미래의 반도체 기술은 더욱 미세하고 고도화된 공정이 요구되며, 이를 통해 전자기기의 성능이 더욱 향상될 것입니다. 반도체 기술의 발전은 4차 산업 혁명과 인공지능, 자율주행, 사물인터넷 등의 핵심적인 역할을 할 것이며, 이러한 혁신의 중심에는 반도체 8대 공정이 자리하고 있습니다.
이상으로 반도체 8대 공정에 대한 깊이 있는 설명을 마칩니다. 각 공정이 어떤 역할을 하고, 어떻게 진행되는지 이해하는 데 도움이 되었기를 바랍니다!
